考慮容量約束的儲(chǔ)能規(guī)?；瘧?yīng)用商業(yè)模式評(píng)價(jià)

開(kāi)賽江，譚捷，孫誼媊，王衡，袁鐵江

(1. 國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830063；2. 大連理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

隨著新能源裝機(jī)比例的提升以及儲(chǔ)能技術(shù)成熟度的提高，儲(chǔ)能的需求空間和盈利空間也被不斷擴(kuò)展和挖掘[1]。在出臺(tái)的相關(guān)政策支持下，鉛蓄電池儲(chǔ)能、鋰離子電池儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能、氫儲(chǔ)能等各類(lèi)儲(chǔ)能技術(shù)都在各自領(lǐng)域內(nèi)開(kāi)展了一系列商業(yè)化探索[2]。儲(chǔ)能系統(tǒng)既可以在電力能量市場(chǎng)或輔助服務(wù)市場(chǎng)交易中獲得充放電價(jià)差收益，也可以利用其功率快速響應(yīng)或能量時(shí)空轉(zhuǎn)移的技術(shù)特性輔助提升新能源并網(wǎng)友好性和電力系統(tǒng)運(yùn)行靈活性[3-4]。在未來(lái)清潔能源系統(tǒng)中，儲(chǔ)能技術(shù)將具有更大的應(yīng)用前景和價(jià)值空間[5-6]?，F(xiàn)階段儲(chǔ)能規(guī)?；瘧?yīng)用推廣并不順利，一個(gè)重要的原因是儲(chǔ)能技術(shù)及其應(yīng)用場(chǎng)景繁雜，缺乏科學(xué)合理的電價(jià)機(jī)制與統(tǒng)一的商業(yè)模式，使得各方資本在實(shí)際投資過(guò)程中缺乏積極性。

針對(duì)儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景和商業(yè)模式，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列研究。在儲(chǔ)能商業(yè)模式綜合效益分析和系統(tǒng)規(guī)劃方面，文獻(xiàn)[7]通過(guò)研究企業(yè)在儲(chǔ)能市場(chǎng)上的行為，探討了儲(chǔ)能商業(yè)模式創(chuàng)新對(duì)企業(yè)績(jī)效的影響，分析結(jié)果表明當(dāng)前的政策限制了大規(guī)模儲(chǔ)能的市場(chǎng)價(jià)值主張，以提高系統(tǒng)效率為主的商業(yè)模式創(chuàng)新將帶來(lái)更高的環(huán)境績(jī)效，從而提高客戶滿意度。文獻(xiàn)[8]提出在大規(guī)模儲(chǔ)能部署之前須考慮其對(duì)環(huán)境的影響，并采用全生命周期評(píng)估方法分析了各種儲(chǔ)能商業(yè)模式對(duì)環(huán)境的影響。文獻(xiàn)[9]分析了現(xiàn)有儲(chǔ)能商業(yè)模式的弊端，認(rèn)為儲(chǔ)能系統(tǒng)商業(yè)模式不僅需要考慮電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型、市場(chǎng)和監(jiān)管障礙等因素，還應(yīng)在不同的尺度上加以區(qū)分，如操作模式、效用尺度、服務(wù)需求等。文獻(xiàn)[10]考慮了商業(yè)模式的差異，在業(yè)主投資模式、合同能源管理模式下分別建立了儲(chǔ)能系統(tǒng)全壽命周期優(yōu)化規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。在儲(chǔ)能激勵(lì)政策分析方面，文獻(xiàn)[11]分析了儲(chǔ)能在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值，并結(jié)合典型電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能政策環(huán)境和中國(guó)電力體制改革情況分析，考慮投資主體、成本、電價(jià)等因素，提出了中國(guó)電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能潛在的商業(yè)模式及相關(guān)政策建議。文獻(xiàn)[12]全面分析了澳大利亞儲(chǔ)能電池投運(yùn)對(duì)中國(guó)儲(chǔ)能潛在商業(yè)模式的影響。在分布式和配電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能的商業(yè)模式方面，文獻(xiàn)[13]研究了配電系統(tǒng)投資建設(shè)儲(chǔ)能的商業(yè)模式，并通過(guò)使用場(chǎng)合特性矩陣比較了儲(chǔ)能提供的電網(wǎng)服務(wù)，提出一個(gè)商業(yè)模式案例開(kāi)發(fā)框架。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于用戶自定義輸入確定存儲(chǔ)單元參數(shù)的準(zhǔn)自動(dòng)決策支持系統(tǒng)，旨在檢測(cè)安裝在工業(yè)或商業(yè)用戶處儲(chǔ)能單元的盈利能力。文獻(xiàn)[15]提出以共享經(jīng)濟(jì)為儲(chǔ)能運(yùn)營(yíng)商新的商業(yè)模式，論證了電池存儲(chǔ)系統(tǒng)更有應(yīng)用推廣的潛力，并基于共享儲(chǔ)能的商業(yè)模式優(yōu)化了存儲(chǔ)系統(tǒng)的配置。文獻(xiàn)[16]提出了一種新型的分布式儲(chǔ)能-云儲(chǔ)能系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方式、運(yùn)行機(jī)制和商業(yè)模式，旨在降低儲(chǔ)能服務(wù)成本，并通過(guò)實(shí)際電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的仿真驗(yàn)證了云儲(chǔ)能系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟(jì)效益。文獻(xiàn)[17]提出了一種虛擬電廠的商業(yè)模式，利用分布式發(fā)電或儲(chǔ)能的綠色與靈活性價(jià)值實(shí)現(xiàn)能源高效利用，并建立了虛擬電廠協(xié)調(diào)優(yōu)化機(jī)理。

上述文獻(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景、運(yùn)行策略和商業(yè)模式進(jìn)行了研究，分析了制約儲(chǔ)能推廣的關(guān)鍵因素，并提出了針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景的儲(chǔ)能容量規(guī)劃方法。然而，目前研究主要集中于示范工程的能效分析和單一儲(chǔ)能業(yè)態(tài)的理論分析，并且針對(duì)不同技術(shù)類(lèi)型儲(chǔ)能規(guī)?；瘧?yīng)用的綜合商業(yè)價(jià)值評(píng)估多采用近似線性化的等效模型[18-20]，并沒(méi)有考慮到不同技術(shù)類(lèi)型、應(yīng)用場(chǎng)合下儲(chǔ)能容量及應(yīng)用價(jià)值的相互關(guān)聯(lián)，且缺乏從源-網(wǎng)-荷環(huán)節(jié)全面、精確、定量評(píng)估儲(chǔ)能商業(yè)模式價(jià)值的方法。

因此，本文提出了一種考慮容量約束的儲(chǔ)能規(guī)?；瘧?yīng)用商業(yè)模式評(píng)價(jià)方法。采用雙梯級(jí)函數(shù)來(lái)表征電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能、火電等靈活性調(diào)節(jié)資源性能和容量的要求；根據(jù)儲(chǔ)能在源、網(wǎng)、荷側(cè)產(chǎn)生的發(fā)電量、輸配電量、電費(fèi)和輔助服務(wù)收益等增益，建立“儲(chǔ)能+”場(chǎng)景下新能源業(yè)主、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商、用戶、儲(chǔ)能業(yè)主等相關(guān)方的收入函數(shù)；根據(jù)增益耗費(fèi)的儲(chǔ)能容量，建立相關(guān)方分?jǐn)偟膬?chǔ)能成本函數(shù)；綜合考慮新能源、電網(wǎng)、用戶或者第三方等投資主體的凈收益最大，建立儲(chǔ)能投資博弈模型。最后，以甘肅為例，評(píng)價(jià)了不同模式場(chǎng)景下的博弈效果，并對(duì)關(guān)鍵參數(shù)做了靈敏度分析，結(jié)果與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了所提模型與方法的正確性。

1 基于雙梯級(jí)函數(shù)的儲(chǔ)能作用量化建模

電網(wǎng)能夠接納大比例的風(fēng)電，制度和市場(chǎng)體制是關(guān)鍵，儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)參與電力調(diào)度是解決途徑。建立儲(chǔ)能規(guī)?；瘧?yīng)用的商業(yè)模式，調(diào)整電力系統(tǒng)所有參與者的利益，從而鼓勵(lì)和引導(dǎo)發(fā)展可再生能源的積極性，解決風(fēng)電消納問(wèn)題。

儲(chǔ)能系統(tǒng)本身并不生產(chǎn)或消耗能量，僅僅作為一種對(duì)能量進(jìn)行時(shí)空轉(zhuǎn)移的靈活性調(diào)節(jié)手段，其吸收和發(fā)出的能量必須平衡。當(dāng)儲(chǔ)能的應(yīng)用達(dá)到一定規(guī)模的時(shí)候，任何類(lèi)型的儲(chǔ)能裝置對(duì)能源系統(tǒng)的作用可做以下等效：在充放電反轉(zhuǎn)時(shí)間和連續(xù)充放電時(shí)間約束下，將一定周期內(nèi)的電源或負(fù)荷出力曲線修整到期望水平。長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能主要作為能量型服務(wù)，短時(shí)儲(chǔ)能主要作為功率型服務(wù)[21-22]，雖然各自應(yīng)用價(jià)值構(gòu)成差異較大，但其物理特性本質(zhì)上一致。

風(fēng)電日出力并無(wú)顯著規(guī)律可循，然而，受地區(qū)風(fēng)電裝機(jī)容量以及風(fēng)資源約束，在一定周期內(nèi)的總發(fā)電量或者功率波動(dòng)量相對(duì)恒定。因此，若不考慮實(shí)時(shí)風(fēng)電功率控制，每個(gè)固定充放電周期T內(nèi)的功率出力可用一個(gè)雙梯級(jí)函數(shù)來(lái)等效。

圖1 風(fēng)電日出力的雙梯級(jí)函數(shù)等效Fig. 1 Double-cascade function equivalence of daily wind power generation

如圖2所示，由該小時(shí)等效出力曲線可知，若僅僅配置了用于平抑日內(nèi)波動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能裝置，而缺乏短時(shí)功率波動(dòng)調(diào)節(jié)資源，整體出力維持在小時(shí)內(nèi)最小出力，將有約6.77%的能量被拋棄，占日內(nèi)棄電量的14.95%。如果要消納全部電量，同樣也要配置一定容量的靈活性調(diào)節(jié)資源。

圖2 風(fēng)電小時(shí)出力的雙梯級(jí)函數(shù)等效Fig. 2 Double-cascade function equivalence of hourly wind power generation

對(duì)比圖1與圖2可知，不同充放電時(shí)長(zhǎng)的儲(chǔ)能裝置的作用不一樣。在長(zhǎng)時(shí)間周期新能源出力中，其出力間歇較長(zhǎng)，出力波動(dòng)幅值較大，但是最小出力等效時(shí)間占比也相對(duì)較大，即高水平出力時(shí)間不多，新能源對(duì)充電功率容量的需求大于其放電功率需求，因此長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的主要作用在于吸收新能源高水平發(fā)電時(shí)的電量，消除反調(diào)峰，提升新能源基礎(chǔ)電量。在短時(shí)間周期新能源出力中，新能源的出力主要呈近似線性的增長(zhǎng)或降低，最小出力等效時(shí)間占比接近于0.5，新能源對(duì)儲(chǔ)能的充電功率和放電功率的能力要求一致，短時(shí)儲(chǔ)能的主要作用在于降低新能源機(jī)組的短時(shí)大波動(dòng)，減少因爬坡約束而丟棄的電量?？芍煌瑫r(shí)長(zhǎng)的儲(chǔ)能裝置作用于不同的出力對(duì)象，其效果有所差異，因此其收益構(gòu)成和獲利方式也不一樣。

2 儲(chǔ)能服務(wù)價(jià)值分析和建模

根據(jù)儲(chǔ)能裝置主要服務(wù)對(duì)象的不同，儲(chǔ)能服務(wù)類(lèi)型可以分為電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、負(fù)荷側(cè)及電力市場(chǎng)輔助服務(wù)4種基本服務(wù)形式。但是，它們皆有各自的應(yīng)用場(chǎng)景和獲利方式，且不同儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景下的時(shí)間尺度和技術(shù)要求具有一定差異性[23-25]。

如表1所示，在新能源側(cè)配置小時(shí)級(jí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可提升新能源基礎(chǔ)發(fā)電量而獲得收益v1，配置小時(shí)級(jí)以下短時(shí)儲(chǔ)能可減少波動(dòng)棄電量而獲得收益v2；在送端電網(wǎng)配置小時(shí)級(jí)以下短時(shí)儲(chǔ)能可作為虛擬電廠提升電網(wǎng)輸配容量，拓展新能源發(fā)電空間而獲得收益v3；在受端電網(wǎng)配置短時(shí)儲(chǔ)能可提高受端電網(wǎng)的受電極限，提高外送電量而獲得收益v4；在負(fù)荷側(cè)配置長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可進(jìn)行大規(guī)模能量吞吐和削峰填谷，調(diào)節(jié)負(fù)荷降低購(gòu)電成本而獲得收益v5；各儲(chǔ)能業(yè)態(tài)下皆可配置長(zhǎng)時(shí)或短時(shí)儲(chǔ)能，統(tǒng)一參與電力系統(tǒng)輔助服務(wù)，獲得的收益為v6和v7。各類(lèi)收益成分在技術(shù)上相互耦合構(gòu)成各方實(shí)際收益，結(jié)合儲(chǔ)能作用機(jī)理可以得到收益要素構(gòu)成與儲(chǔ)能系統(tǒng)配置之間的關(guān)系。

表1 儲(chǔ)能服務(wù)不同使用實(shí)體的收益構(gòu)成Table 1 Revenue composition of different entities using energy storage services

2.1 小時(shí)級(jí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的收益構(gòu)成

小時(shí)級(jí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能主要用于平衡系統(tǒng)中日級(jí)乃至季節(jié)時(shí)間尺度的功率變化。目前，受限于地理?xiàng)l件、設(shè)備成本、技術(shù)成熟度等因素，大規(guī)模小時(shí)級(jí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的應(yīng)用還有較大困難，長(zhǎng)時(shí)功率變化主要由火電機(jī)組的日內(nèi)調(diào)度和季度發(fā)電計(jì)劃來(lái)調(diào)節(jié)。隨著氫儲(chǔ)能的技術(shù)和成本突破，電網(wǎng)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能將有廣闊的應(yīng)用前景。各服務(wù)業(yè)態(tài)下長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的收益主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）新能源側(cè)配置小時(shí)級(jí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可提升新能源日前調(diào)度的基礎(chǔ)電量，其收益可表示為

根據(jù)雙梯級(jí)函數(shù)等效模型，儲(chǔ)能提升新能源基礎(chǔ)發(fā)電量的作用可等效為：儲(chǔ)能通過(guò)一個(gè)周期內(nèi)的充放電，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，降低雙梯級(jí)函數(shù)的峰谷差值，減少所需備用容量，從而提升新能源發(fā)電容量。配置儲(chǔ)能帶來(lái)的新能源基礎(chǔ)電量增加可由雙梯級(jí)等效提升函數(shù)gimpr來(lái)等效計(jì)算。

式中：q、s為該類(lèi)儲(chǔ)能配置容量。

（2）負(fù)荷側(cè)配置小時(shí)級(jí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可通過(guò)峰谷價(jià)差實(shí)現(xiàn)套利，其收益可表示為

同理，根據(jù)雙梯級(jí)函數(shù)等效模型，儲(chǔ)能對(duì)負(fù)荷出力進(jìn)行削峰填谷等效為降低雙梯級(jí)函數(shù)的峰谷差值，因此，可由雙梯級(jí)函數(shù)電量的等效轉(zhuǎn)移來(lái)計(jì)算，該電量轉(zhuǎn)移函數(shù)可表示為

2.2 小時(shí)級(jí)以下短時(shí)儲(chǔ)能的收益構(gòu)成

小時(shí)級(jí)及以下短時(shí)儲(chǔ)能主要用于平衡系統(tǒng)中變化周期在小時(shí)以內(nèi)的不平衡功率，這些變化主要由變化較快的負(fù)荷和新能源發(fā)電波動(dòng)引起。目前主要通過(guò)保持一定具有較快響應(yīng)速度的備用容量機(jī)組來(lái)應(yīng)對(duì)，其收益構(gòu)成也較為簡(jiǎn)單。隨著負(fù)荷的快速增長(zhǎng)和新能源比例不斷提高，傳統(tǒng)機(jī)組備用面臨嚴(yán)重的容量不足和經(jīng)濟(jì)性下降等問(wèn)題。短時(shí)儲(chǔ)能的靈活快速響應(yīng)能力具有很好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性能，由于儲(chǔ)能并非電源，其收益構(gòu)成呈現(xiàn)一定特殊性。各服務(wù)業(yè)態(tài)下短時(shí)儲(chǔ)能的收益主要包括以下幾個(gè)方面。

（1）新能源或送端電網(wǎng)側(cè)配置小時(shí)級(jí)及以下短時(shí)儲(chǔ)能作為系統(tǒng)熱備用，可以平抑新能源波動(dòng)，減少新能源棄電量，收益由新能源減少棄發(fā)電量收益以及由此新增的電網(wǎng)輸配電量收益組成，表示為

式中：q2、s2分別為新能源和送端電網(wǎng)側(cè)短時(shí)儲(chǔ)能能量容量與功率容量的總配置量，MW·h, MW；為儲(chǔ)能棄電消納電價(jià)，為負(fù)值時(shí)作為儲(chǔ)能的電量服務(wù)補(bǔ)償，是儲(chǔ)能收益的一部分，元/(k W·h)；為新能源補(bǔ)貼電價(jià)，元/(kW·h)；為過(guò)網(wǎng)輸配電價(jià)，元/(kW·h)；儲(chǔ)能減少棄發(fā)電量同樣也可由式（4）計(jì)算，此時(shí)，T、α、ΔP應(yīng)為新能源小時(shí)級(jí)周期出力的雙梯級(jí)等效函數(shù)參數(shù)，短時(shí)儲(chǔ)能無(wú)最小充放電時(shí)長(zhǎng)約束，所以此時(shí)。

（2）受端電網(wǎng)配置小時(shí)級(jí)及以下短時(shí)儲(chǔ)能作為外送事故備用，可提升外送穩(wěn)態(tài)輸送極限、提高受端電網(wǎng)受電能力，提升新能源外送電量，其收益可表示為

式中：q3、s3分別為受端儲(chǔ)能能量容量與功率容量的配置量，MW·h, MW；受端電網(wǎng)配置儲(chǔ)能而新增的外送負(fù)荷電量的大小與受端電網(wǎng)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和輸送容量有關(guān)，并受外送通道最大輸送功率極限約束，可表示為

2.3 儲(chǔ)能參與備用、調(diào)頻等輔助服務(wù)的收益

（1）配置小時(shí)級(jí)以上長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能可替代火電作為系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)備用輔助服務(wù)來(lái)支撐電網(wǎng)運(yùn)行，由此得來(lái)的收益可表示為

（2）配置小時(shí)級(jí)以內(nèi)短時(shí)儲(chǔ)能可替代火電參與系統(tǒng)調(diào)頻等輔助服務(wù)。短時(shí)儲(chǔ)能參與輔助服務(wù)收益由2部分組成，一是作為短時(shí)輔助備用的容量電價(jià)，二是購(gòu)得的新能源棄電參與輔助服務(wù)的電量收益，可表示為

3 多方利益協(xié)調(diào)及風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)偰Ｐ?/h2>

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)投資回報(bào)機(jī)制

儲(chǔ)能帶來(lái)的盈利點(diǎn)分為3類(lèi)，（1）提升新能源和電網(wǎng)的發(fā)輸電量，這部分收益歸新能源和電網(wǎng)所有；（2）參與負(fù)荷側(cè)削峰填谷，這部分收益支配權(quán)在負(fù)荷側(cè)；（3）參與電力系統(tǒng)輔助服務(wù)市場(chǎng)，根據(jù)配備的容量與獲得的新能源棄電量參與統(tǒng)一的調(diào)頻、調(diào)峰備用等服務(wù)。由于裝配儲(chǔ)能系統(tǒng)后收益的盈利點(diǎn)不一樣，有必要將儲(chǔ)能內(nèi)部自身參與輔助服務(wù)獲得的收益與外部間接輔助源網(wǎng)荷獲得的收益分開(kāi)。如圖3所示，在4類(lèi)儲(chǔ)能服務(wù)業(yè)態(tài)中，源網(wǎng)荷3類(lèi)需求實(shí)體須根據(jù)自身儲(chǔ)能服務(wù)量向儲(chǔ)能供應(yīng)實(shí)體支付服務(wù)費(fèi)用，該價(jià)格由市場(chǎng)供需關(guān)系決定。儲(chǔ)能獲取的最終收益根據(jù)新能源、電網(wǎng)、用戶、第三方投資者的投資構(gòu)成進(jìn)行分配。

圖3 規(guī)?；瘍?chǔ)能應(yīng)用的商業(yè)模式框架Fig. 3 Business mode framework of large-scale energy storage application

3.2 儲(chǔ)能增益收入函數(shù)

在各“儲(chǔ)能+”場(chǎng)景中，配置儲(chǔ)能會(huì)在源、網(wǎng)、荷側(cè)產(chǎn)生發(fā)電量、輸配電量、電費(fèi)和輔助服務(wù)收益等增益，從而影響新能源業(yè)主、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商、用戶、儲(chǔ)能業(yè)主等實(shí)體的收入。根據(jù)儲(chǔ)能增益構(gòu)成可知，新能源業(yè)主的收入由源端長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能和源送端短時(shí)儲(chǔ)能獲取的發(fā)電量收益構(gòu)成；電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的收入由送受端短時(shí)儲(chǔ)能獲取的輸配電量收益構(gòu)成；用戶的收入由負(fù)荷側(cè)長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能獲取的電費(fèi)收益構(gòu)成；儲(chǔ)能業(yè)主的收入由在全網(wǎng)配置的長(zhǎng)短時(shí)儲(chǔ)能獲取的輔助服務(wù)收益構(gòu)成。

設(shè)新能源側(cè)、送端、受端、負(fù)荷側(cè)4類(lèi)儲(chǔ)能服務(wù)業(yè)態(tài)需要的長(zhǎng)時(shí)、短時(shí)儲(chǔ)能的能量和功率容量由2個(gè)4×2階矩陣q、s表示。

式中：qi1，si1代表長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能容量耗費(fèi)。qi2，si2代表短時(shí)儲(chǔ)能容量耗費(fèi)。根據(jù)式（3）～（15）構(gòu)建的儲(chǔ)能收益函數(shù)，新能源業(yè)主、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商、用戶、儲(chǔ)能業(yè)主等各方儲(chǔ)能增益收入函數(shù)可表示為

式中：e1、e2、e3、e4為新能源業(yè)主、電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商、用戶、儲(chǔ)能業(yè)主的收入。全網(wǎng)配置的儲(chǔ)能容量應(yīng)滿足新能源側(cè)、送端、受端、負(fù)荷側(cè)4類(lèi)儲(chǔ)能服務(wù)業(yè)態(tài)所需容量q、s，即

式中：Q1為全網(wǎng)配置長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的功率；Q2為全網(wǎng)配置短時(shí)儲(chǔ)能的功率。

3.3 儲(chǔ)能成本分?jǐn)偤瘮?shù)

儲(chǔ)能作為一種優(yōu)質(zhì)的靈活性調(diào)節(jié)資源，可同時(shí)提供多種疊加服務(wù)，從而提高儲(chǔ)能單位容量的利用效率，擴(kuò)展儲(chǔ)能盈利空間。多種儲(chǔ)能服務(wù)疊加及技術(shù)經(jīng)濟(jì)互補(bǔ)主要反映在降低儲(chǔ)能服務(wù)成本上，即降低儲(chǔ)能單位容量使用價(jià)格，可表示為

根據(jù)新能源側(cè)、送端、受端、負(fù)荷側(cè)4類(lèi)儲(chǔ)能服務(wù)業(yè)態(tài)所耗費(fèi)儲(chǔ)能容量大小以及儲(chǔ)能裝置的單位容量使用價(jià)格，各自須支付的儲(chǔ)能使用費(fèi)用可表示為

式中：p1、p2、p3、p4分別為4類(lèi)儲(chǔ)能服務(wù)業(yè)態(tài)的儲(chǔ)能使用費(fèi)用，元/年；為全網(wǎng)儲(chǔ)能裝置總建造維護(hù)費(fèi)用，元/年。由此，可得到各方儲(chǔ)能成本分?jǐn)偤瘮?shù)為

3.4 儲(chǔ)能投資主體凈收益

儲(chǔ)能可由新能源、電網(wǎng)、用戶或第三方等投資主體獨(dú)立或共同出資，資本構(gòu)成不同，形成不同的儲(chǔ)能應(yīng)用商業(yè)模式。設(shè)新能源、電網(wǎng)、用戶和第三方4類(lèi)投資主體需要的長(zhǎng)時(shí)、短時(shí)儲(chǔ)能的能量和功率容量由兩個(gè)階矩陣Q、S表示。

3.5 儲(chǔ)能投資主體的博弈模型

在儲(chǔ)能系統(tǒng)各商業(yè)模式中，一般都存在新能源、電網(wǎng)、負(fù)荷用戶以及第三方，既可做需求方也可做供給方，在商業(yè)模式博弈中，可以決定自己的市場(chǎng)需求量與投資量。以下采用遺傳算法對(duì)各方進(jìn)行輪回優(yōu)化以獲取收斂決策作為最后博弈結(jié)果，并針對(duì)典型的幾種場(chǎng)景進(jìn)行算例探究分析，其非合作博弈模型如下所示。

（1）博弈參與者：新能源、電網(wǎng)、用戶、第三方資本作為參與者構(gòu)成的博弈。

（2）參與者策略：4類(lèi)利益實(shí)體進(jìn)行博弈時(shí)，其策略分別為各自所從屬的儲(chǔ)能業(yè)態(tài)對(duì)各類(lèi)儲(chǔ)能的容量需求決策及對(duì)各類(lèi)儲(chǔ)能的投資決策，記為 Ere、Egird、Euser、Ethird，具體表示為

（3）參與者的凈收益建模：新能源、電網(wǎng)、用戶、第三方資本的凈收益由式（24）給出。

（4）均衡策略：選定新能源、電網(wǎng)、用戶、第三方資本作為參與儲(chǔ)能規(guī)模化應(yīng)用商業(yè)模式的4類(lèi)利益實(shí)體，分別對(duì)其中一類(lèi)主導(dǎo)投資和4類(lèi)全部進(jìn)行投資博弈進(jìn)行分析，評(píng)估不同商業(yè)模式的在不同價(jià)格或政策環(huán)境下的適用性和經(jīng)濟(jì)性。

4 算例分析

4.1 場(chǎng)景介紹

圖4和圖5為甘肅省新能源和日負(fù)荷曲線（僅顯示一個(gè)月的出力情況），其等效的雙梯級(jí)模型參數(shù)如表3所示（采用一年的數(shù)據(jù)等效）。此外，直流外送受端最大需求為1 000 MW/15 min。

圖4 甘肅省日負(fù)荷曲線Fig. 4 Daily load curve of Gansu province

圖5 甘肅省新能源出力Fig. 5 New energy output of Gansu province

在儲(chǔ)能系統(tǒng)各商業(yè)模式中，一般存在新能源、電網(wǎng)、負(fù)荷用戶以及第三方，在商業(yè)模式博弈中，各方可以決定自己的市場(chǎng)需求量與投資量。以下針對(duì)典型的幾種場(chǎng)景進(jìn)行算例探究分析。

4.2 新能源場(chǎng)站投資主導(dǎo)的商業(yè)模式

在新能源場(chǎng)站投資主導(dǎo)的商業(yè)模式中，新能源場(chǎng)站作為儲(chǔ)能服務(wù)的供應(yīng)者與需求者，而電網(wǎng)與負(fù)荷只作為需求方。通過(guò)三方博弈其結(jié)果如表4所示。在目前給出的電價(jià)環(huán)境下，新能源場(chǎng)站傾向于建設(shè)短時(shí)儲(chǔ)能，而其他儲(chǔ)能類(lèi)型受成本限制，需求無(wú)法滿足。

表2 算例經(jīng)濟(jì)參數(shù)Table 2 Example economic parameters

表3 甘肅省新能源與負(fù)荷出力雙梯級(jí)等效數(shù)據(jù)Table 3 Equivalent data of new energy and load output in Gansu province

表4 新能源場(chǎng)站投資策略Table 4 Investment strategy of new energy stations

該投資方案的效益如表5所示，新能源場(chǎng)站投資短時(shí)儲(chǔ)能的主要收益來(lái)源于調(diào)頻輔助服務(wù)，短時(shí)儲(chǔ)能將小時(shí)內(nèi)棄風(fēng)電量?jī)?chǔ)存起來(lái)，參與調(diào)頻輔助服務(wù)。電網(wǎng)因棄風(fēng)電量提升而獲得輸配電價(jià)收益。

表5 新能源場(chǎng)站投資主導(dǎo)各方效益分析Table 5 Benefit analysis of leading parties of new energy station investment

在新能源場(chǎng)站投資主導(dǎo)的商業(yè)模式中，通過(guò)改變新能源電價(jià)補(bǔ)貼，對(duì)新能源消納量的影響進(jìn)行靈敏度分析。如圖6所示，在短時(shí)儲(chǔ)能為主的商業(yè)模式中，新能源電價(jià)補(bǔ)貼對(duì)新能源消納水平的提升并不顯著。在本算例中，當(dāng)補(bǔ)貼電價(jià)達(dá)到0.4 元/(kW·h)時(shí)，短時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)新能源的消納水平已到達(dá)極限。短時(shí)儲(chǔ)能的盈利模式回報(bào)率高，并不需要過(guò)多補(bǔ)貼機(jī)制，但新能源提升空間有限。另一方面，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能消納新能源潛力較大，但對(duì)儲(chǔ)能容量需求高，在儲(chǔ)能成本較高的情況下，補(bǔ)貼激勵(lì)作用有限，這種狀況與甘肅電網(wǎng)實(shí)際較為相符。

圖6 新能源主導(dǎo)下補(bǔ)貼電價(jià)對(duì)新能源消納量的影響Fig. 6 Influence of subsidy price on new energy consumption under the guidance of new energy

4.3 電網(wǎng)投資主導(dǎo)的商業(yè)模式

在電網(wǎng)投資主導(dǎo)的商業(yè)模式中，電網(wǎng)作為儲(chǔ)能服務(wù)的供應(yīng)者與需求者，而新能源場(chǎng)站與電力負(fù)荷只作為需求方。在此場(chǎng)景下，電網(wǎng)可主導(dǎo)的盈利點(diǎn)較少，傾向于在外送受端建設(shè)儲(chǔ)能以提升外送電量，而在目前輸配電價(jià)低迷的情況下并無(wú)需求。當(dāng)輸配電價(jià)提升為0.3元/(kW·h)時(shí)，電網(wǎng)產(chǎn)生投資意愿，博弈結(jié)果如表6所示。

表6 電網(wǎng)投資策略Table 6 Grid investment strategy

當(dāng)繼續(xù)提升輸配電價(jià)時(shí)，各方收益變化如圖7所示。由圖7可知，輸配電價(jià)的變化對(duì)電網(wǎng)儲(chǔ)能投資意愿影響較大，但并不會(huì)影響其他各方的收益。由于電網(wǎng)受端配置的儲(chǔ)能主要用作故障備用以提升外送穩(wěn)態(tài)輸送能力，對(duì)儲(chǔ)能容量要求不高。因此，以甘肅電網(wǎng)為代表的新能源外送基地，當(dāng)具有外送電價(jià)優(yōu)勢(shì)的情況下，在外送受端配置儲(chǔ)能可極大提升交直流外送能力，提高全網(wǎng)負(fù)荷水平。

圖7 電網(wǎng)主導(dǎo)下輸配電價(jià)對(duì)各方收益的影響Fig. 7 Influence of transmission and distribution price on benefits of all parties under the guidance of power grid

4.4 第三方投資主導(dǎo)的商業(yè)模式

在第三方投資主導(dǎo)的商業(yè)模式中，第三方作為儲(chǔ)能服務(wù)的供應(yīng)者與需求者，而新能源場(chǎng)站、電網(wǎng)和電力負(fù)荷只作為需求方，即儲(chǔ)能完全由第三方來(lái)供應(yīng)的全服務(wù)租賃模式。通過(guò)博弈可知，第三方投資主導(dǎo)的商業(yè)模式受儲(chǔ)能成本影響極大。當(dāng)功率成本為400元/kW，能量容量成本為800元/(kW·h)時(shí)，第三方產(chǎn)生投資意愿，其博弈結(jié)果如表7所示。此時(shí)，第三方投資還是傾向于回報(bào)率較高的短時(shí)儲(chǔ)能，由于受市場(chǎng)供需與成本回收周期控制，儲(chǔ)能投資規(guī)模較小。

表7 第三方投資策略Table 7 Third party investment strategy

通過(guò)改變儲(chǔ)能建造成本，對(duì)各方收益影響進(jìn)行靈敏度分析。如圖8所示，第三方投資主導(dǎo)下，其收益受儲(chǔ)能建造成本影響較大。該商業(yè)模式的應(yīng)用必須建立在較低儲(chǔ)能成本的基礎(chǔ)上，但總體來(lái)看，該模式下各方參與度不高，不利于儲(chǔ)能規(guī)?；茝V應(yīng)用。

圖8 第三方主導(dǎo)下儲(chǔ)能成本對(duì)各方收益的影響Fig. 8 Impact of energy storage cost on benefits of all parties under the guidance of the third party

4.5 市場(chǎng)全開(kāi)放的商業(yè)模式

在市場(chǎng)全開(kāi)放的商業(yè)模式中，新能源、電網(wǎng)和電力用戶同時(shí)作為儲(chǔ)能服務(wù)的供應(yīng)者和需求者，同時(shí)還有第三方投資者加入，同時(shí)參與市場(chǎng)博弈，其博弈結(jié)果如表8所示，其經(jīng)濟(jì)性能如表9所示。在當(dāng)前價(jià)格環(huán)境下，市場(chǎng)投資集中在短時(shí)儲(chǔ)能和外送送端儲(chǔ)能。新能源消納量雖低于新能源投資主導(dǎo)的商業(yè)模式，但儲(chǔ)能市場(chǎng)總收益較大，這與實(shí)際市場(chǎng)規(guī)律吻合。

表8 全開(kāi)放市場(chǎng)博弈結(jié)果Table 8 Game results of open market

表9 全開(kāi)放市場(chǎng)博弈的經(jīng)濟(jì)性能Table 9 Economic performance of open market

同樣，通過(guò)改變儲(chǔ)能建造成本，對(duì)各方收益影響進(jìn)行靈敏度分析。如圖9所示，儲(chǔ)能建造成本的改變會(huì)影響到整個(gè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)和投資策略，但影響并不是單調(diào)函數(shù)；新能源與電網(wǎng)由于自身優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較大。

圖9 全開(kāi)放市場(chǎng)下儲(chǔ)能成本對(duì)各方收益的影響Fig. 9 Impact of energy storage cost on benefits of all parties in the open market

儲(chǔ)能成本對(duì)儲(chǔ)能容量的影響如圖10所示，隨著成本降低，長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)，儲(chǔ)能投入容量將達(dá)到400 MW，儲(chǔ)能的使用率大幅提高。

圖10 全開(kāi)放市場(chǎng)下儲(chǔ)能成本對(duì)儲(chǔ)能容量的影響Fig. 10 Impact of energy storage costs on energy storage capacity in the open market

5 結(jié)論

本文提出的儲(chǔ)能規(guī)模化應(yīng)用商業(yè)模式評(píng)價(jià)方法較為客觀地反映了各類(lèi)投資場(chǎng)景，同時(shí)驗(yàn)證了雙梯級(jí)模型等效描述儲(chǔ)能作用的可行性，對(duì)甘肅儲(chǔ)能規(guī)?；瘧?yīng)用的商業(yè)模式進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到如下結(jié)論。

（1）短時(shí)儲(chǔ)能不需要過(guò)多補(bǔ)貼，也可獲得理想的盈利，但對(duì)新能源消納空間提升有限。

（2）長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能消納潛力較大，但對(duì)儲(chǔ)能容量需求高，在儲(chǔ)能成本較高的情況下，補(bǔ)貼激勵(lì)作用效果不明顯。

（3）當(dāng)具有外送電價(jià)優(yōu)勢(shì)的情況下，在外送受端配置儲(chǔ)能可極大提升交直流外送能力，提高全網(wǎng)負(fù)荷水平。

（4）第三方投資主導(dǎo)的商業(yè)模式必須建立在較低儲(chǔ)能成本的基礎(chǔ)上。

（5）儲(chǔ)能建造成本的改變會(huì)影響整個(gè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)和投資策略，并會(huì)產(chǎn)生外溢價(jià)值，其影響機(jī)理有待進(jìn)一步分析。